康杰

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

一次性機(jī)械設(shè)計方法與其他方法的對比

康杰

（西華大學(xué)，四川 成都 610039）

一次性機(jī)械和普通應(yīng)用的機(jī)械構(gòu)件不同，它不承擔(dān)交變載荷或者只承擔(dān)短期的交變載荷，而且其工作壽命較短，有些使用一次后就不再使用。所以，一次性機(jī)械設(shè)計的方法和普通機(jī)械設(shè)計的方法有所不同。本文從一次性機(jī)械設(shè)計方法的主導(dǎo)思想入手，首先分析了一次性機(jī)械設(shè)計方法和可靠性設(shè)計方法與有限壽命設(shè)計方法的對比，然后研究了一次性機(jī)械設(shè)計方法和與其他現(xiàn)代化方法的對比，為一次性機(jī)械設(shè)計方法的研究提供了可參考的意見。

一次性機(jī)械；設(shè)計方法；對比

1 一次性機(jī)械設(shè)計方法的主導(dǎo)思想

機(jī)械零件的失效方式主要有表面損傷失效、斷裂失效、破壞正常工作條件失效和變形失效等。所以，機(jī)械零件的失效除了非正常的原因外，大多是由于工作時間較長引起的。常規(guī)機(jī)械零件的設(shè)計都會留有余量來延緩疲勞和磨損等失效形式的發(fā)生，但一次性機(jī)械的使用壽命較短，一些失效形式不會發(fā)生在一次性機(jī)械中。

在一次性機(jī)械零件的設(shè)計中，不用預(yù)防疲勞，只要保證其在使用中不會受力破壞即可。一次性機(jī)械的設(shè)計一般只考慮靜力破壞，即一次最大載荷作用下的破壞。另外，一次性機(jī)械的設(shè)計還應(yīng)考慮將體積和重量最小化，去掉余量，保證靜應(yīng)力小于強(qiáng)度極限或者屈服極限即可。一次性機(jī)械是一類特殊機(jī)械，其設(shè)計方法的相關(guān)研究也是一個新的方向。就一次性機(jī)械設(shè)計的現(xiàn)代化方法而言，和優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計和有限壽命設(shè)計等方法有所不同，下文是具體的分析。

2 一次性機(jī)械設(shè)計方法和可靠性設(shè)計方法與有限壽命設(shè)計方法的對比

可靠性工程的起步較早，距今已有半個多世紀(jì)的歷史。但是其相關(guān)的發(fā)展是以電子產(chǎn)品為主導(dǎo)的，在機(jī)械產(chǎn)品的相關(guān)發(fā)展起步較晚。再者，因為機(jī)械產(chǎn)品在應(yīng)用中的情況比較復(fù)雜，其載荷分布和強(qiáng)度分布的數(shù)據(jù)不能細(xì)致的分析，所以，在機(jī)械產(chǎn)品方面的可靠性應(yīng)用不夠廣泛?？煽啃怨こ淌且环N研究設(shè)計參數(shù)和其影響因素的隨機(jī)性特性的專門學(xué)科，機(jī)械產(chǎn)品卻在實際工程應(yīng)用中受環(huán)境的影響，機(jī)械所受的力和其應(yīng)有的強(qiáng)度是離散的隨機(jī)變量。所以，一次性機(jī)械的設(shè)計方法是在傳統(tǒng)的可靠性設(shè)計上再引入數(shù)理統(tǒng)計和概率論的相關(guān)知識。也可以說，一次性機(jī)械的設(shè)計方法是升華后的可靠性設(shè)計，兩者有一定的相關(guān)性，卻有著設(shè)計內(nèi)容上的差異。

機(jī)械結(jié)構(gòu)有限壽命設(shè)計方法是用壽命指標(biāo)和產(chǎn)品可靠工作時間代替了經(jīng)驗設(shè)計中的保險系數(shù)，以此來增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性。隨著機(jī)械使用時間的增加，其性能會因疲勞磨損而劣化或者喪失。有限壽命設(shè)計要求機(jī)械在其使用壽命期間，不會因為疲勞磨損而產(chǎn)生失效的現(xiàn)象。傳統(tǒng)的有限壽命設(shè)計法是考慮機(jī)械在最大載荷和最危險的情況下不會失效，現(xiàn)代的有限壽命設(shè)計方法融合了材料力學(xué)、計算力學(xué)。實驗力學(xué)和斷裂力學(xué)等多種學(xué)科，通過測試工程機(jī)械的實際受力狀態(tài)，利用計算機(jī)進(jìn)行受力分析，最終得出科學(xué)的壽命設(shè)計。一次性機(jī)械的使用壽命較短，一些失效形式不會發(fā)生在一次性機(jī)械中。所以，一次性機(jī)械和有限壽命設(shè)計方法與可靠性設(shè)計方法的區(qū)別主要有以下兩點：

（1）設(shè)計對象不同。一次性機(jī)械設(shè)計方法針對的是使用壽命較短，且在工作中不承受交變載荷或者短時間承受交變載荷的機(jī)械，這要求機(jī)械在壽命內(nèi)完成任務(wù)即可。有限壽命設(shè)計方法和可靠性設(shè)計方法針對的都是長期使用的機(jī)械，這些機(jī)械的失效都是由疲勞磨損引起的。

（2）主導(dǎo)思想不同。一次性機(jī)械在達(dá)到疲勞點之前就會達(dá)到使用壽命，所以在設(shè)計中不用留下磨損余量，只需要根據(jù)靜應(yīng)力強(qiáng)度設(shè)計體積最小和質(zhì)量最輕的結(jié)構(gòu)就可以?？煽啃栽O(shè)計卻需要根據(jù)應(yīng)力計算概率分布，使設(shè)計的零件有可預(yù)測的壽命和失效率。有限壽命設(shè)計需要根據(jù)各種理論估算零件的壽命，最大化估計失效時間。

3 一次性機(jī)械設(shè)計方法和與其他現(xiàn)代化方法的對比

機(jī)械設(shè)計的方法除了上述的有限壽命設(shè)計方法和可靠性設(shè)計方法外還有優(yōu)化設(shè)計，這種方法是在一系列的限制條件滿足后，求最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。這種設(shè)計方法的計算量相當(dāng)大，需要分析多種參數(shù)對設(shè)計的影響。但是在計算機(jī)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域后，該方法有了長足的發(fā)展。依托計算機(jī)的發(fā)展而興起的設(shè)計方法除了優(yōu)化設(shè)計外，還有有限單元設(shè)計方法等。

與現(xiàn)代化的設(shè)計方法相比，一次性機(jī)械設(shè)計的對象、設(shè)計思想和設(shè)計目的都有不同。不同的設(shè)計方法完善了機(jī)械設(shè)計的整個領(lǐng)域。

4 結(jié)語

一次性機(jī)械的設(shè)計是較新的設(shè)計方法，它的設(shè)計思想、設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計目的與其他幾種方法有一定的差異。而且一次性機(jī)械的適用范圍也較廣，在很多領(lǐng)域都是必不可少的。所以，關(guān)于一次性機(jī)械設(shè)計方法的研究還需要更進(jìn)一步，使之逐步完善，更好的應(yīng)用在實際的機(jī)械工程中。

［1]李躍峰. 典型一次性機(jī)械零件設(shè)計及其應(yīng)用研究［D］. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［2]薛紅彥. 一次性機(jī)械的設(shè)計方法的研究［D］. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［3]劉慧茹. 淺析一次性機(jī)械設(shè)計的概念與應(yīng)用［J］. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，03：26～27.

［4]王廣林，潘旭東，李躍峰. 一次性機(jī)械設(shè)計理念及實踐［J］. 機(jī)械工程學(xué)報，2014，01：152～156.

（P-02）

Comparison between disposable mechanical design methods and others

TH122

1009-797X（2016）02-0096-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.02.037

康杰（1994-），西華大學(xué)2012級機(jī)械電子工程本科生，研究方向為機(jī)械設(shè)計。

2015-11-20